【摘要】：鋼鐵行業(yè)是能源消耗的大戶,在其快速發(fā)展的同時(shí),也帶來了大量的環(huán)境污染。隨著碳交易的逐漸落實(shí),鋼鐵企業(yè)的CO2減排任務(wù)十分迫切,而降低CO2排放的關(guān)鍵在于減少煤炭能源的使用。生物質(zhì)是一種清潔、環(huán)�？稍偕暮寄茉�,將其熱解產(chǎn)物生物質(zhì)半焦用來替代部分煤粉進(jìn)行高爐噴吹,既可以減少高爐對(duì)煤炭資源的消耗,降低煤炭資源的開采量,從而降低CO2排放。因此,亟需對(duì)生物質(zhì)半焦應(yīng)用于高爐噴吹進(jìn)行系統(tǒng)研究,為高爐噴吹生物質(zhì)半焦和煤粉混合燃料提供理論依據(jù)。本文研究了生物質(zhì)半焦的制備、生物質(zhì)半焦和煤粉混合燃燒特性以及噴吹生物質(zhì)半焦對(duì)高爐的影響。首先,利用熱重-質(zhì)譜聯(lián)用儀對(duì)三種生物質(zhì)的熱解行為進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)的主要熱解區(qū)間是200～600℃,200～400℃區(qū)間內(nèi)反應(yīng)最劇烈。利用中溫管式爐制備不同熱解條件的生物質(zhì)半焦,探究了熱解制備條件對(duì)生物質(zhì)半焦冶金性能的影響,研究發(fā)現(xiàn),隨著熱解溫度的升高和停留時(shí)間增加,生物質(zhì)半焦產(chǎn)率下降,棕櫚殼的半焦產(chǎn)率從79.73%下降到31.93%,楊木的半焦產(chǎn)率從76.10%下降到24.29%,玉米秸稈的半焦產(chǎn)率從62.33%下降到25.03%;固定碳含量升高,揮發(fā)分含量降低,H和O元素含量降低,并且300～400℃區(qū)間內(nèi)變化幅度較大,600℃制備得到的生物質(zhì)半焦的成分和元素組成等與無煙煤很接近。隨著熱解溫度升高和停留時(shí)間增加,生物質(zhì)半焦的燃燒性和反應(yīng)性逐漸減弱,其反應(yīng)行為越來越接近于煤粉等碳質(zhì)材料。同時(shí)發(fā)現(xiàn),當(dāng)熱解溫度較高時(shí),停留時(shí)間對(duì)生物質(zhì)半焦冶金性能的影響并不大。通過對(duì)比分析,得到最優(yōu)的生物質(zhì)半焦制備參數(shù)為熱解溫度600℃,停留時(shí)間 60min。其次,采用掃描電鏡、氮?dú)馕�、X射線衍射、拉曼光譜、紅外光譜等分析方法對(duì)熱解過程中生物質(zhì)半焦物化特性的演變規(guī)律進(jìn)行了研究,探明了生物質(zhì)半焦物理孔隙結(jié)構(gòu)、化學(xué)微晶組成及表面官能團(tuán)與制備條件的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著熱解溫度升高,生物質(zhì)被逐漸加熱,揮發(fā)分逐漸析出,內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)得到發(fā)展,逐漸從緊致的結(jié)構(gòu)變成多孔結(jié)構(gòu);脂肪族官能團(tuán)逐漸減少甚至消失,芳香族官能團(tuán)逐漸增強(qiáng);有序碳結(jié)構(gòu)逐漸增加,石墨化程度增大。達(dá)到一定熱解溫度后,隨著停留時(shí)間增加,生物質(zhì)半焦的物化特性繼續(xù)發(fā)生變化,孔結(jié)構(gòu)緩慢增多,有序化程度增大的幅度也變得緩慢。所以,生物質(zhì)熱解是一個(gè)由高度無序結(jié)構(gòu)逐漸變成有序化結(jié)構(gòu)且有序度逐漸增加的過程。再次,利用熱重分析儀對(duì)棕櫚殼半焦和煤粉的混合燃燒過程進(jìn)行了研究,并利用隨機(jī)孔模型(RPM)和體積模型(VM)進(jìn)行了混合燃燒的動(dòng)力學(xué)分析。結(jié)果表明,添加棕櫚殼半焦后,煤粉的燃燒特性得到了改善,并且在混合燃燒過程中二者存在協(xié)同作用。燃燒前期,煤粉的存在限制了棕櫚殼半焦的著火和燃燒,但是棕櫚殼半焦燃燒后釋放熱量,促進(jìn)了煤粉的著火;燃燒后期,棕櫚殼半焦灰分中的堿金屬化合物又促進(jìn)了煤粉中碳的燃燒。隨機(jī)孔模型(RPM)相比體積模型(VM)更適宜描述棕櫚殼半焦和煤粉的混合燃燒過程。同時(shí),為了減少入爐堿負(fù)荷,棕櫚殼半焦的配加比例應(yīng)小于20%。然后,在實(shí)驗(yàn)室條件下分別制備了煤粉、棕櫚殼半焦和煤粉混合物的未燃?xì)執(zhí)?利用熱重分析儀研究了未燃?xì)執(zhí)繉?duì)焦炭氣化反應(yīng)的影響,利用熔體物性綜合測(cè)定儀研究了未燃?xì)執(zhí)繉?duì)爐渣粘度的影響。研究發(fā)現(xiàn),加入棕櫚殼半焦之后產(chǎn)生的未燃?xì)執(zhí)康姆磻?yīng)性大于焦炭,可以對(duì)焦炭起到保護(hù)作用,同時(shí),未燃?xì)執(zhí)繉?duì)焦炭的氣化反應(yīng)的催化作用并不明顯,不會(huì)造成焦炭質(zhì)量的進(jìn)一步劣化。未燃?xì)執(zhí)恳怨腆w質(zhì)點(diǎn)形式存在于爐渣中,會(huì)使?fàn)t渣粘度增大,并且爐渣粘度隨轉(zhuǎn)速、溫度降低和未燃?xì)執(zhí)亢康脑黾佣龃蟆Ｓ捎谧貦皻ぐ虢够曳种械腃aO、MgO含量高于煤粉,可以在一定程度上降低爐渣粘度的增大幅度,減緩未燃?xì)執(zhí)繉?duì)爐渣粘度的影響。最后,通過高爐的物料平衡和熱平衡計(jì)算了高爐噴吹棕櫚殼半焦對(duì)高爐冶煉參數(shù)的影響。結(jié)果表明,高爐噴吹棕櫚殼半焦后,會(huì)使直接還原度和燃料比降低,風(fēng)口焦炭數(shù)量和煤氣利用率升高,噸鐵鼓風(fēng)量和爐腹煤氣量降低,理論燃燒溫度基本保持穩(wěn)定。棕櫚殼半焦替代部分煤粉進(jìn)行高爐噴吹后,可以降低高爐CO2排放量。綜合來看,高爐噴吹棕櫚殼半焦可以發(fā)展?fàn)t內(nèi)間接還原,減少噴吹煤粉的入爐量,同時(shí)也能保證高爐冶煉參數(shù)正常。綜上分析可得理論上棕櫚殼半焦替代部分煤粉用于高爐噴吹是可行的。
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TF54
【圖文】：

鋼鐵企業(yè)不斷擴(kuò)大噴煤量。目前，國(guó)際先進(jìn)水平的高爐燃料比低于逡逑５００ｋｇ／ｔＨＭ，２０１７年我國(guó)只有寶鋼集團(tuán)的高爐燃料比達(dá)到該水平。據(jù)中鋼協(xié)逡逑統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)重點(diǎn)企業(yè)歷年的高爐噴煤比如圖２－１所示［１４’１９］，近年，逡逑我國(guó)高爐噴煤比總體水平不高，煉鐵企業(yè)因焦炭與煤粉的價(jià)差在縮小，己不逡逑再追求過高的噴煤比，而是尋求經(jīng)濟(jì)噴煤比，提高煤粉的置換比，實(shí)現(xiàn)煉鐵逡逑成本的最優(yōu)化。逡逑１５５邋｜邐邐邐邐邐逡逑１５０邋：逡逑⑷「邋／■逡逑１３５邋－邐／＂－逡逑安邐■逡逑Ｘ邋１３０邋－邐丨逡逑１邋１２５邋：八邋１逡逑茲邋１２°「＼邋／逡逑１１５邋－邐＼Ｊ逡逑１１０邋－逡逑１０５邋－逡逑ＪＱＱ邋邋邋，邋Ｉ邋．邋■邋■邋Ｉ邋．邋■邋？邋Ｉ邋■邋■邋？邋＿邋？邋Ｉ邋■邋■邋■邋＿逡逑１９９８邋２０００邋２００２邋２００４邋２００６邋２００８邋２０１０邋２０１２邋２０１４邋２０１６邋２０１８逡逑年份逡逑圖２－１近年來我國(guó)重點(diǎn)企業(yè)的氋爐噴煤比逡逑２．１．３煤粉在風(fēng)口回旋區(qū)賺的特點(diǎn)逡逑高爐噴吹煤粉是將一定粒度的煤粉采用氣力輸送的方式從風(fēng)口噴入高逡逑爐，煤粉暴露在１１００？１２００°Ｃ左右的熱風(fēng)中，進(jìn)而發(fā)生一系列的燃燒反應(yīng)。逡逑煤粉在風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)的燃燒有以下幾個(gè)特點(diǎn)［２（）］：逡逑（１）有限空間和時(shí)間的燃燒逡逑從燃燒學(xué)的角度出發(fā)．對(duì)于燃料的燃燒過程，燃燒空間和燃燒時(shí)間對(duì)燃逡逑燒過程有非常重要的影響。對(duì)高爐噴吹煤粉來說，煤粉的燃燒反應(yīng)要在從煤逡逑槍出口到燃燒帶邊緣（１／３￣１／２直吹管、風(fēng)口小套和燃燒帶總長(zhǎng)度為逡逑２０００￣２５００ｍｍ）形成的有限空間內(nèi)進(jìn)行

內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)等，是一種非常復(fù)雜的過程。為了理解煤粉的燃燒規(guī)律，將逡逑煤粉在高爐風(fēng)口回旋區(qū)的燃燒過程大致分為以下幾個(gè)階段：預(yù)熱、揮發(fā)分的逡逑揮發(fā)、揮發(fā)分的燃燒以及半焦的燃燒，不同階段的燃燒特點(diǎn)如圖２－３所示。逡逑半焦的燃燒可能在揮發(fā)分的燃燒階段就已經(jīng)開始，二者燃燒的相互疊加程度逡逑與煤種和煤粉粒徑有關(guān)。和揮發(fā)分的揮發(fā)和燃燒相比，半焦的燃燒相對(duì)較慢，逡逑例如，在加熱速率大約為ｌ0４￣ｌ0５°Ｃ／ｓ的煤粉加熱系統(tǒng)中，揮發(fā)性物質(zhì)在開始逡逑的１０？１００ｍｓ完成反應(yīng)，然而半焦的燃盡時(shí)間通常為１？４ｓ，當(dāng)揮發(fā)分完全釋逡逑放后，半焦的燃燒就成了主導(dǎo)過程，因此，煤粉的燃燒所需時(shí)間主要由半焦逡逑的燃燒時(shí)間決

本文編號(hào)：2793753